金属材料与热处理知识

1、一、材料的分类工程材料金属钢铁有色金属非金属二、金属材料 金属材料是现代机械制造中最主要的材料，在农机零部件中通常占到90%以上。 合金：以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，经过熔炼、烧结或其它方法而制成的具有金属特性的材料。最常用的合金：以铁为基础的铁碳合金，如碳素钢、合金钢、灰口铸铁等。以铜或铝为基础的铜合金和铝合金，如青铜、黄铜、硅铝明等。1.金属材料的性能（1）.金属材料的机械性能弹性和塑性：延伸率越大，塑性加工的性能越好。刚度：弹性模数是金属最稳定的性质之一。强度：常用指标有屈服强度和抗拉强度。硬度：常用硬度指标有布氏硬度和洛氏硬度冲击韧性：作为选择材料的参考，不直接用于强度计算

2、。疲劳强度： 80%的机件失效都可归咎于疲劳破坏。断裂韧性：（2）金属材料的物理、化学和工艺性能物理性能：比重、熔点、热膨胀性、导热性、导电性。化学性能：抵抗活泼介质的化学侵蚀能力，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。工艺性能：是物理、化学、机械性能的总和。可分为铸造性、可锻性、 可焊性、切削加工性能等。2.钢铁材料铁素体：韧性好，强度和硬度均不高。奥氏体：是绝大多数钢种在高温压力加工时要求的组织。渗碳体：硬度很高，塑性很差。铁碳合金固态下的组织：铁碳合金是以铁为基础的合金，也是钢和铁的统称。珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物。莱氏体：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。鉄碳合金鉄碳合金 钢铁是现

3、代机械制造工业中应用最为广泛的金属材料。普通碳钢和钢铁是现代机械制造工业中应用最为广泛的金属材料。普通碳钢和铸铁均属鉄碳合金范畴，合金钢和合金铸铁是加入合金元素的鉄碳合铸铁均属鉄碳合金范畴，合金钢和合金铸铁是加入合金元素的鉄碳合金。因此，碳和铁是钢铁材料的两个最基本的元素。金。因此，碳和铁是钢铁材料的两个最基本的元素。 为保证鉄碳合金（钢）具有足够的强度，并具有一定的塑性和韧性，为保证鉄碳合金（钢）具有足够的强度，并具有一定的塑性和韧性，其含碳量一般不超过其含碳量一般不超过1.31.4%。含碳量大于。含碳量大于2.11%称为铸铁，硬而称为铸铁，硬而脆。强度、塑性、韧性较差，但耐磨性、切削加工性

4、好。脆。强度、塑性、韧性较差，但耐磨性、切削加工性好。碳钢碳钢实际使用的碳钢并不是单纯的鉄碳合金，其中包含一些杂质元素如实际使用的碳钢并不是单纯的鉄碳合金，其中包含一些杂质元素如：SiSi、MnMn、S S、P P。SiSi在钢中是有益元素，主要提高钢的强度、硬度。在钢中是有益元素，主要提高钢的强度、硬度。MnMn在钢中是有益元素，主要提高钢的强度。在钢中是有益元素，主要提高钢的强度。S S在钢中是有害杂质，会提高钢的热脆性。在钢中是有害杂质，会提高钢的热脆性。P P在钢中是有害杂质，会降低钢的塑性和韧性，增加冷脆性。在钢中是有害杂质，会降低钢的塑性和韧性，增加冷脆性。所以，判定钢材质量的好坏

5、，主要是根据钢中所以，判定钢材质量的好坏，主要是根据钢中S S、P P的含量来判断的的含量来判断的。碳钢的分类：碳钢的分类：1 1、按钢的含碳量分类、按钢的含碳量分类低碳钢低碳钢-0.25%C-0.25%C中碳钢中碳钢-0.30-0.300.55%C0.55%C高碳钢高碳钢-0.60%C-0.60%C2 2、按钢的质量分类：主要是根据钢中所含有害杂质、按钢的质量分类：主要是根据钢中所含有害杂质S S、P P的多少来分的多少来分，通常分为：普通碳素钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢三类。，通常分为：普通碳素钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢三类。（1）普通碳素钢：S、P含量分部0.055%和0.045%

6、（2）优质碳素钢： S、P含量均应0.040%（3）高级优质碳素钢： S、P含量分别0.030%和0.035 %3.按用途分类：分碳素结构钢和碳素工具钢两类。（1）碳素结构钢：主要用于制造工程构件和机器零件。（2）碳素工具钢：主要用于制造刀具、量具、模具。 碳钢的编号和用途碳钢的编号和用途1 1、普通碳素结构钢、普通碳素结构钢这类钢主要保证力学性能，故其牌号体现其力学性能，用Q+数字表示，其中“Q”为屈服点“屈”字的汉语拼音字首，数字表示屈服点数值，例如Q275表示屈服点为275Mpa。若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示刚才质量等级不同，含S、P的量依次降低，钢材质量依次提高。若在牌号后

7、面标注字母“F”则为沸腾钢，标注“b”为半镇静钢，不标注“F”或“b”者为镇静钢。例如Q235-AF表示屈服点为235Mpa的A级沸腾钢，Q235-C表示屈服点为235Mpa的C级镇静钢 碳素结构钢一般情况下都不经热处理，而在供应状态下直接使用。通常Q195、Q215、Q235钢碳的质量分数低，焊接性能好，塑性、韧性好，有一定强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等结构和制造普通螺钉、螺母等零件。Q255和Q275钢碳的质量分数稍高，强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接，通常轧制成型钢、条钢和钢板作结构件以及制造简单机械的连杆、齿轮、联轴节、销等零件。 2 2、优质碳素结构钢、优

8、质碳素结构钢必须具备良好的机械性能，必须具备良好的机械性能，S S、P P含量较少（含量较少（0.040%0.040%）。）。表示方法：平均含碳量用两位数来表示，以表示方法：平均含碳量用两位数来表示，以0.01%0.01%为单位。为单位。如：如：2020钢，表示平均含碳量为钢，表示平均含碳量为0.2%0.2% 45 45钢，表示平均含碳量为钢，表示平均含碳量为0.45%0.45%3 3、碳素工具钢、碳素工具钢编号原则在编号原则在“碳碳”或或“T”“T”后面附以数字表示，数字表示钢中平均含碳量后面附以数字表示，数字表示钢中平均含碳量，以，以0.1%0.1%为单位。为单位。如：如：T8T8表示平均

9、含碳量为表示平均含碳量为0.8% 0.8% T12 T12表示平均含碳量为表示平均含碳量为1.2%1.2%如果高级优质碳素工具钢，在钢号后面加如果高级优质碳素工具钢，在钢号后面加“A”A”，如，如T12AT12A，碳素工具钢主，碳素工具钢主要用于量具、刃具、模具。要用于量具、刃具、模具。 合金钢合金钢 在冶炼时特意往钢中加入一些合金元素，使钢具有耐高温、耐低温在冶炼时特意往钢中加入一些合金元素，使钢具有耐高温、耐低温、耐腐蚀、高韧性、高耐磨性等性能，称为合金钢。、耐腐蚀、高韧性、高耐磨性等性能，称为合金钢。 合金钢的分类合金钢的分类按用途分为三类：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。按用途分为

10、三类：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。 合金钢的编号合金钢的编号 合金结构钢包括：普通低合金钢、易切削钢、调质钢、渗碳钢、合金结构钢包括：普通低合金钢、易切削钢、调质钢、渗碳钢、弹簧钢、滚动轴承钢。弹簧钢、滚动轴承钢。 编号原则：数字编号原则：数字+ +化学元素化学元素+ +数字，前面的数字表示数字，前面的数字表示“平均含碳量平均含碳量”，以万分子几表示；合金元素直接用化学符合表示；后面的数字表示合以万分子几表示；合金元素直接用化学符合表示；后面的数字表示合金元素的含量，以平均含量的百分子几表示。合金元素含量低于金元素的含量，以平均含量的百分子几表示。合金元素含量低于1.5%1.5%时，只

11、表元素，不标含量，合金元素含量等于或大于时，只表元素，不标含量，合金元素含量等于或大于1.5%1.5%时，用时，用2 2、3 3、44表示。表示。如：如：40Cr40Cr表示：含碳量表示：含碳量0.4%0.4%左右、铬钢、含铬量小于左右、铬钢、含铬量小于1.5%1.5%。 60Si2Mn60Si2Mn表示：含碳量表示：含碳量0.6%0.6%左右、硅锰钢、含铬量左右、硅锰钢、含铬量2%2%左右，含锰量左右，含锰量小于小于1.5%1.5%。 20Cr2Ni420Cr2Ni4表示含碳量表示含碳量0.2%0.2%左右、铬镍钢，含铬量左右、铬镍钢，含铬量2%2%左右，含镍量左右，含镍量4%4%左右左右1

12、 1）普通低合金钢：低碳结构钢、合金元素含量较少，一般在）普通低合金钢：低碳结构钢、合金元素含量较少，一般在3%3%以下。以下。如：如：16Mn16Mn含碳量含碳量0.16%0.16%左右，含锰量左右，含锰量1.5%1.5%左右左右2 2）易切钢：容易被切削加工的钢，附加元素有）易切钢：容易被切削加工的钢，附加元素有S S、PbPb、CaCa、P P表示方式：钢号前冠以表示方式：钢号前冠以“Y”Y”以区别非易切钢。以区别非易切钢。如：如：Y12Y12、Y40CrSCaY40CrSCa3)3)渗碳钢：渗碳钢含碳量较低，一般含量渗碳钢：渗碳钢含碳量较低，一般含量0.1-0.25%0.1-0.25%

13、。如：。如：20CrMnTi20CrMnTi4)4)调质钢：一般为中碳钢，含碳量调质钢：一般为中碳钢，含碳量0.3-0.55%0.3-0.55%，调质后钢具有高强度与，调质后钢具有高强度与良好的塑性和韧性，即综合机型性能好。如：良好的塑性和韧性，即综合机型性能好。如：40Cr40Cr、42CrMn42CrMn。5 5）弹簧钢：一般为高碳钢）弹簧钢：一般为高碳钢0.6-0.75%0.6-0.75%，必须具有抗拉强度强、屈服强度，必须具有抗拉强度强、屈服强度、疲劳强度，同时具有良好的塑性和韧性。如：、疲劳强度，同时具有良好的塑性和韧性。如：6565、65Mn65Mn、55Si2Mn55Si2Mn6

14、 6）滚动轴承钢：一般为高碳钢。要求高硬度、高耐磨性、高强度、抗腐）滚动轴承钢：一般为高碳钢。要求高硬度、高耐磨性、高强度、抗腐蚀性。常用：蚀性。常用：GCr15GCr15、GCr9GCr9。G G代表代表”滚滚“，加入，加入CrCr为提高淬透性，为提高淬透性，1515表示含碳量在表示含碳量在1.5%1.5%左右。左右。钢的热处理热处理整体热处理表面热处理化学热处理退火正火淬火淬火和回火调质稳定化处理固溶处理和水韧处理固溶处理和时效整体热处理表面热处理表面淬火和回火物理气相沉积化学气相沉积等离子体化学气相沉积化学热处理渗碳渗氮碳氮共渗氮碳共渗渗其他非金属渗 金 属多元共渗熔渗改善钢的性能：改善

15、钢的性能：1 1）、调整钢的化学成分、）、调整钢的化学成分、2 2）热处理）热处理热处理：通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结热处理：通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的一种加工工艺。构发生变化，以获得所需性能的一种加工工艺。 退火和正火退火和正火退火和正火一般安排在铸造、锻造之后，机械加工之前。退火和正火一般安排在铸造、锻造之后，机械加工之前。目的：目的：1 1）软化钢件以便切削加工；）软化钢件以便切削加工；2 2）消除残余应力，防止）消除残余应力，防止钢件变形开裂；钢件变形开裂；3 3）细化晶粒，改善组织，提高钢的机型性）细化晶粒，改善组织，提高

16、钢的机型性能；能；4 4）为最终热处理（淬火回火）作好组织上的准备。）为最终热处理（淬火回火）作好组织上的准备。退火分为：完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火。退火分为：完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火。完全退火：将亚共析钢工件加热至完全退火：将亚共析钢工件加热至Ac3Ac3以上以上30-5030-50，保温一，保温一段时间后，随炉缓慢冷却至段时间后，随炉缓慢冷却至500500以下在空气中冷却。以下在空气中冷却。正火：将钢件加热至正火：将钢件加热至Ac3Ac3以上以上30-5030-50，保温后从炉中取出在，保温后从炉中取出在空气中冷却。与退火的不同点是正火冷却速度稍快。空气中冷却

17、。与退火的不同点是正火冷却速度稍快。 淬淬 火火淬火：将钢加热到淬火：将钢加热到Ac3Ac3或或Ac1Ac1以上以上30305050，保温后快速冷却的，保温后快速冷却的一种操作。一种操作。目的：获得马氏体组织，提高钢的硬度和耐磨性。目的：获得马氏体组织，提高钢的硬度和耐磨性。如何既能得到马氏体组织又能减小零件变形呢如何既能得到马氏体组织又能减小零件变形呢？与与淬火介质和淬火介质和淬火的冷却方法有关。淬火的冷却方法有关。淬火冷却介质，按淬冷能力依次：盐水、水、油淬火冷却介质，按淬冷能力依次：盐水、水、油常用的淬火方法：单液淬火法、双液淬火法、分级淬火法、等常用的淬火方法：单液淬火法、双液淬火法、

18、分级淬火法、等温淬火法、局部淬火法、冷处理。温淬火法、局部淬火法、冷处理。 淬淬 透透 性性淬透性：钢在淬火后能获得淬硬层深度的一种性质叫淬透性。淬透性：钢在淬火后能获得淬硬层深度的一种性质叫淬透性。淬硬性越深，表明钢的淬透性越好。淬透性与淬硬性不一样淬硬性越深，表明钢的淬透性越好。淬透性与淬硬性不一样，淬透性与淬硬性都与钢的含碳量有关。，淬透性与淬硬性都与钢的含碳量有关。为提高钢的淬透性通常增加一些合金元素如：为提高钢的淬透性通常增加一些合金元素如：Mn/Mo/Cr/AI/SiMn/Mo/Cr/AI/Si等。等。 回火回火回火：将淬火后的钢加热到不超过回火：将淬火后的钢加热到不超过Ac1Ac1临界温度进行保温，而临界温度进行保温，而后冷却下来的一种热处理操作。后冷却下来的一种热处理操作。目的：目的：1 1）降低脆性，消除或减少内应力。）降低脆性，消除或减少内应力。2)2)获得工件所要求的机械性能获得工件所要求的机械性能3 3）稳定工件尺寸）稳定工件尺寸4 4）对于退火难以软化的某些合金钢，采用高温回火，降低硬）对于退火难以软化的某些合金钢，采用高温回火，降低硬度，易于切削。度，易于切削。回火：低温回火、中温回火、高温回火回火：低温回火、中温回火、高温回火 钢的表面淬火